CN116644699B - 基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法，涉及供配电系统技术领域；基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法，包括以下步骤：S1、构建阻抗比测试电路；S2、确认稳定性判断标准；S3、由阻抗比测试电路得到在多个负载运行点的对应幅频波特图数据；S4、通过Matlab将各个负载运行点波特图进行拟合，得到拟合稳定运行边界曲面；S5、根据拟合稳定运行边界曲面进行大信号稳定性分析。本发明通过在级联电路的不同负载运行点处进行多次测量，再通过对测量结果的拟合，可以得到系统宽负载范围的稳定运行边界曲面，从而根据边界曲面最终实现系统的大信号稳定性分析。

Description

基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法
技术领域
本发明属于供配电系统技术领域，尤其涉及基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法。
背景技术
去中心化的分布式供配电系统在现代各类功率等级的电力系统中越来越多地被应用，如飞机供配电系统、家庭微网。其中，模块电源作为这种去中心化的供配电系统的关键电力变换装置，对于系统的正常运行至关重要。
这种模块电源通过级联的方式构成供配电系统，其主要系统架构如图1所示，通常包括前级AC-DC变换器以及后级的隔离式变换器。并且，这种供配电系统需要工作于宽负载范围，且通常由多种不同模块电源所组成。但是，各个模块电源通常由不同电源产商独立制造，其出于商业保密考虑，并不期望提供具体的电源拓扑与控制技术细节。当两种独立设计的模块电源处于级联状态时，如何在宽负载范围内保证两个独立模块电源所构成的母线处于稳定运行，是需要量化研究的问题。
现有的方法多数集中于采用电路参数已知的白盒子稳定性分析方法对级联系统进行分析，并主要采用电路系统特征根、李雅普诺夫稳定性判据、奈奎斯特图等相关判据实现系统的稳定性分析。
这类分析方法的主要缺点是①需要电路参数与控制方法已知，②计算量庞大且需要掌握电路与控制调制知识。其难以应用于现有模块电源构成的供配电系统中，并且难以用于分析宽负载范围运行下的稳定性。
如图2所示为现有阻抗比测试电路。图2所示的阻抗比测试电路原理是在级联电路的母线电压中，引入电压正弦小信号干扰以激发系统的小信号范围下的非线性运行模态，再实现源侧和负载侧的变换器阻抗比|Zso/ZLi|测量。通过这种现有的阻抗比测量电路，可以在不需要电路拓扑信息与控制方法的情况下，实现系统母线稳定性分析。
图2中△vp是小信号电压干扰信号，△vS和△vL分别是源侧和负载侧的电压，Zso与ZLi分别是源侧变换器的输出阻抗、负载侧变换器的输入阻抗。根据著名的Middlebrook稳定性判据可知，对于电压源系统，当ZLi/Zso的阻抗比在一定范围内时，该系统是稳定的。但是现有基于如图2所示的阻抗比测试电路稳定性分析方法，是基于小信号的线性时不变分析方法，其并不能讨论级联系统在宽负载范围下的稳定性分析。为此，本发明提出一种基于电压小信号干扰信号的宽负载范围级联电路母线电压稳定分析方法。
本发明主要解决宽负载范围下的黑盒子级联变换器系统的母线电压稳定性分析问题。本发明基于图2中现有阻抗比测量电路，本发明通过在级联电路的不同负载运行点处进行多次测量，再通过对测量结果的拟合，可以得到系统宽负载范围的稳定运行边界曲面，从而根据边界曲面最终实现系统的大信号稳定性分析。
发明内容
本发明的目的在于提供基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法，以解决上述背景技术中提出的现有技术不能进行级联系统在宽负载范围下的稳定性分析的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法，包括以下步骤：
S1、构建阻抗比测试电路；
S2、确认稳定性判断标准；
S3、由阻抗比测试电路得到在多个负载运行点的对应幅频波特图数据；
S4、通过Matlab将各个负载运行点波特图进行拟合，得到拟合稳定运行边界曲面；
S5、根据拟合稳定运行边界曲面进行大信号稳定性分析。
优选地，所述S1中构建阻抗比测试电路，具体如下：
由源侧变换器对应的模块电源、负载侧变换器对应的模块电源以及阻抗分析仪构成阻抗比测试电路。
优选地，所述源侧变换器、负载侧变换器组成级联系统；
所述阻抗分析仪包括测量端和干扰端，
所述干扰端通过向级联系统的母线电压注入不同频率的干扰信号△vp用于激发级联系统的非线性运行模态；
所述测量端进行源侧变换器的电压△vs测量。
优选地，所述S2中确认稳定性判断标准，具体如下：
当变换器阻抗比|Zso/ZLi|曲线在所有小信号频域范围内没有进入禁止域内时，则判断级联系统母线为稳定运行。
优选地，将|Zso/ZLi|曲线的任意点不进入以-1/2为界限所构建的禁止域作为稳定判据；
将|Zso/ZLi|曲线上任意一点到(-1,0)点的距离定义为D1，将|Zso/ZLi|曲线上任意一点到(0,0)点的距离定义为D2，则当|Zso/ZLi|曲线上任意点均不进入禁止域内时，D1与D2需要满足D1/D2>1，即
源侧变换器的输出阻抗Zso、负载侧变换器的输入阻抗ZLi满足
其中，△vs和△vL分别是源侧变换器和负载侧变换器的电压，△ib是母线电流；
将式(2)代入式(1)得到
由于阻抗分析仪只能给出测量端电压对干扰电压的幅频和相频特性测量结果，因此，基于△vp＝△vs+△vL，则由式(3)得到
由式(4)可知，禁止域对应的具体判据，要求源侧变换器对干扰电压信号的比值小于1。
优选地，所述S5中根据边界曲面进行大信号稳定性分析，具体如下：
在波特图dB坐标下，源侧变换器对干扰电压信号的比值小于1转换为|△vs/△vp|的幅频特性曲线均必须在0dB以下，从而满足级联系统稳定性要求。
优选地，所述S4中通过Matlab将各个负载运行点波特图进行拟合，具体如下：
各个测试的负载运行点数据整合并通过Matlab的griddata拟合函数进行拟合。
与黑盒子级联系统稳定性分析相比，本发明的有益效果是：
(1)、本发明通过多个负载运行点的小信号稳定性分析，提供了一种宽负载运行范围下的级联系统稳定性量化评估方法；
(2)、本发明仍然保留了传统级联系统阻抗比分析方法不需要内部电路参数与控制参数的优势；
(3)、本发明不需要复杂的计算，只需要将测试数据记录并通过Matlab进行拟合，即可以得到可视化的系统稳定运行边界曲面；
(4)、本发明测试者可以通过适当增加系统负载运行测试点，以增加系统稳定运行边界曲面的准确性，不需要大范围地重新计算修改模型等繁琐工作。
附图说明
图1为级联AC-DC电路图；
图2为现有的源侧和负载侧变换器阻抗比测试电路原理图；
图3为本发明中源侧与负载侧变换器阻抗比实际测试电路图；
图4为本发明中稳定判据对应的极坐标禁止域示意图；
图5为本发明中基于电压小信号干扰的级联变换器母线电压稳定分析方法的流程图；
图6为本发明实施例2中案例分析电路原理图；
图7为本发明实施例2中基于案例分析电路的幅频波特得到的拟合稳定运行边界曲面图；
图8为本发明实施例2中案例分析的时域波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参阅图5，基于电压小信号干扰的级联变换器母线电压稳定分析方法，包括如下步骤：
步骤一、构建测试电路。
在本实施例中，参阅图3给出了本发明的具体阻抗比测试电路图。
由源侧变换器对应的模块电源、负载侧变换器对应的模块电源以及阻抗分析仪构成阻抗比测试电路。
图3中，阻抗分析仪通过向母线电压注入不同频率的干扰信号△vp从而激发系统的非线性运行模态，再通过与母线电压相关的关键参数波特图实现系统单个运行点的稳定性分析。需要特别说明的是，图3的测试电路，每次向母线电压注入干扰信号时，需要保证测试电路运行在一个负载点，否则测试结果将不准确。这是因为测试电路本质上是在系统一个负载运行点处展开小信号分析。
步骤二、确认稳定性判断标准。
在本实施例中，图4给出了本发明对应的稳定性判据的具体运行区域边界，当图3所示的变换器阻抗比|Zso/ZLi|曲线在所有小信号频域范围内没有进入禁止域内时，则所研究的级联系统母线是稳定的。
对图4的稳定判据展开说明。著名的Middlebrook判据，认为当级联变换器阻抗比|Zso/ZLi|曲线一直在单位圆内时，则说明源侧变换器的输出阻抗Zso远小于负载侧变换器的输入阻抗ZLi，系统处于稳定工作区域内。这种理论可以通过考虑极端情况加以理解，理想电源的输出阻抗并不存在，而负载侧变换器对理想源侧变换器的输出阻抗则需要越大越好，进而使得理想源的电压全部加到负载侧变换器。但是，著名的Middlebrook稳定判据过于保守，学者们发现变换器阻抗比|Zso/ZLi|曲线在极坐标中，只要不进入一定的禁止域，级联系统仍然能保持稳定。
图4所示的禁止域是其中一种改进的稳定判据，其要求|Zso/ZLi|曲线的任意点不进入以-1/2为界限所构建的禁止域。
其数学表达式推导如下，将|Zso/ZLi|曲线上任意一点到(-1,0)点的距离定义为D1，将曲线任意一点到(0,0)点的距离定义为D2，则当曲线上任意点均不进入禁止域内时，D1与D2需要满足D1/D2>1，即
根据图2可知，源侧变换器的输出阻抗Zso、负载侧变换器的输入阻抗ZLi满足
将式(2)代入式(1)可以得到
另一方面，由于阻抗分析仪只能给出测量端电压对干扰电压的幅频和相频特性测量结果，因此，考虑图2中△vp＝△vs+△vL，则式(3)可以重新改写为
由式(4)可知，图4对应的禁止域对应的具体判据，实际上要求源侧变换器对干扰电压信号的比值要小于1。
步骤三、在不同负载，获取并保存波特图数据。
步骤四、通过Matlab将各个负载点波特图进行拟合。
在本实施例中，图5给出了根据实际测试电路以及所得到的测试数据进行稳定运行边界曲面拟合的步骤。拟合的具体分析步骤如下：
除了构建如图3所示的电路外，还需要得到测试电路在多个负载运行点的对应幅频波特图数据，再将各个测试的运行点数据整合并通过Matlab的griddata拟合函数进行拟合，从而得到系统宽负载范围的稳定运行边界曲面。稳定运行边界曲面可以用于预测当前变换器参数与控制方法所对应的负载运行范围。此外，可以进一步通过增加负载运行点得到更为准确的系统稳定运行边界曲面。
步骤五、根据边界曲面实现系统的大信号稳定性分析。
在波特图dB坐标下，源侧变换器对干扰电压信号的比值要小于1，可以转换为|△vs/△vp|的幅频特性曲线均必须在0dB(对应1，即20log1＝0dB)以下，从而满足系统稳定性要求。
上述步骤说明了图4对应的系统禁止域所等效的|△vs/△vp|幅频特性在波特图下的具体稳定性判据。
实施例2：
级联变换器系统的母线稳定性仿真验证结果：
如图6所示，为验证实施例1所提出的基于电压小信号干扰的级联变换器母线电压稳定分析方法的可行性，采用了高性能的Saber仿真软件构建了典型的两级式AC-DC电能变换系统，其包括前级平均电流控制下的boost功率因数校正(PFC)电路与后级隔离移相全桥电路。
案例分析电路的具体参数：交流输入有效值为220V，频率为50Hz，前级boost PFC电路的电感L为5mH，母线支撑电容为5mF，母线电压为400V，开关频率为47kHz，后级移相全桥电路的变压器原边侧和输出滤波电感均为10uH，变压器匝数比为380:45:45，输入电压为400V，输出电压为28V，开关频率为10kHz。输入侧电磁滤波电感Lf与输入电容Cf，分别设置为Lf＝0.1uH、Cf＝0.2uF。
通过如图5所示的本发明分析步骤，可以得到如图7所示的案例分析电路稳定运行边界曲面。由图7可知，①案例分析电路系统的稳定运行边界是随着负载功率逐步增大的；②在二倍交流输入工频谐波(100Hz)附近，系统母线电压越容易进入不稳定状态。
图8给出了案例分析电路的时域波形图。由图8可知，当系统负载功率增大时，系统母线电压纹波(其主要对应二倍交流输入工频谐波)也在增大。而且，当系统负载功率增大到2.4kW时，系统的输出电压已经跌落到308V左右，且其二倍工频纹波也达到了6.05V。仿真电路的时域波形验证了频域的理论分析结果。
可看出本发明提出了一种基于电压小信号干扰的级联变换器母线电压稳定性分析方法，可以不需要对电路内部参数与控制方法展开繁琐的建模，并且可以估计级联变换器宽负载运行范围下的稳定裕度，进而实现模块电源在级联下的负载运行范围估计。相比于繁琐的现有白盒子级联变换器母线电压稳定性分析方法更具有实用价值。
以上所述，仅用于帮助理解本发明的方法及其核心要义，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的一般技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建阻抗比测试电路；
构建阻抗比测试电路，具体如下：
由源侧变换器对应的模块电源、负载侧变换器对应的模块电源以及阻抗分析仪构成阻抗比测试电路；
S2、确认稳定性判断标准；
确认稳定性判断标准，具体如下：
当变换器阻抗比|Zso/ZLi|曲线在所有小信号频域范围内没有进入禁止域内时，则判断级联系统母线为稳定运行；
将|Zso/ZLi|曲线的任意点不进入以-1/2为界限所构建的禁止域作为稳定判据；
将|Zso/ZLi|曲线上任意一点到(-1,0)点的距离定义为D1，将|Zso/ZLi|曲线上任意一点到(0,0)点的距离定义为D2，则当|Zso/ZLi|曲线上任意点均不进入禁止域内时，D1与D2需要满足D1/D2>1，即
源侧变换器的输出阻抗Zso、负载侧变换器的输入阻抗ZLi满足
其中，△vs和△vL分别是源侧变换器和负载侧变换器的电压，△ib是母线电流；
将式(2)代入式(1)得到
由于阻抗分析仪只能给出测量端电压对干扰电压的幅频和相频特性测量结果，因此，基于△vp＝△vs+△vL，则由式(3)得到
由式(4)可知，禁止域对应的具体判据，要求源侧变换器对干扰电压信号的比值小于1；
S3、由阻抗比测试电路得到在多个负载运行点的对应幅频波特图数据；
S4、通过Matlab将各个负载运行点波特图进行拟合，得到拟合稳定运行边界曲面；
S5、根据拟合稳定运行边界曲面进行大信号稳定性分析。
2.根据权利要求1所述的基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法，其特征在于：
所述源侧变换器、负载侧变换器组成级联系统；
所述阻抗分析仪包括测量端和干扰端，
所述干扰端通过向级联系统的母线电压注入不同频率的干扰信号△vp用于激发级联系统的非线性运行模态；
所述测量端进行源侧变换器的电压△vs测量。
3.根据权利要求1所述的基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法，其特征在于：所述S5中根据边界曲面进行大信号稳定性分析，具体如下：
在波特图dB坐标下，源侧变换器对干扰电压信号的比值小于1转换为|△vs/△vp|的幅频特性曲线均必须在0dB以下，从而满足级联系统稳定性要求。
4.根据权利要求1所述的基于电压小信号扰动的级联变换器母线电压稳定分析方法，其特征在于：所述S4中通过Matlab将各个负载运行点波特图进行拟合，具体如下：
各个测试的负载运行点数据整合并通过Matlab的griddata拟合函数进行拟合。
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